经济转型军事现代化的秘密武器 中国量子领域再获大突破

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“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路的合成照片(图源:新华社)

当下,量子领域之争已不只是国与国之间科技的竞争,已然上升到国家运势之争。量子科学与可控核聚变、人工智能、石墨烯等并称为下一次技术革命的突破口,一旦取得突破,与生产效率快速提高相对应的极可能是世界力量对比的洗牌重组。

英国《简氏防务周刊》网站6月上旬发布了一篇题为《中国和战略对抗时代》的报告,文章指出北京方面正在寻求一项创新驱动的发展战略,以实现经济转型和军事现代化,后者的重点不仅是吸收西方技术,而且要在新兴技术上取得进展。而新兴技术中就包括了量子领域。 

报告认为中国已成为“量子密码学研发当之无愧的领导者”,尽管美国团队仍在量子计算方面处于领先地位,中国是一个相对的后来者,但中国“已经开始在这场发展极其强大的计算能力的竞赛中迅速前进,这种能力可以打破大多数现有的加密形式”。

日前,有着“中国量子之父”之称的中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、刘乃乐、汪喜林等通过调控6个光子的偏振、路径和轨道角动量3个自由度,在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。该成果以“编辑推荐”的形式发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上。

作为量子信息领域的明星科学家,潘建伟35岁获得欧洲物理学会奖励量子光学领域杰出青年科学家的菲涅尔奖,41岁成为最年轻的中国科学院院士。为表彰其在光量子信息前沿领域的开创性实验研究,在美国犹他州举行的量子电子物理学大会上,潘建伟于1月10日被授予国际激光科学和量子光学领域的大奖——兰姆奖(Willis E. Lamb Award)。

全球科学界最权威杂志《自然》于2017年12月19日发布了2017年度科技界最重磅榜单之一——十大年度人物,潘建伟入选《自然》十大年度科学人物。《自然》杂志为每一位年度入选者做了一篇新闻特写,其中以《量子之父》(FATHER OF QUANTUM)为题报道了潘建伟,“在中国,有人称他为‘量子之父’。对于这一称呼,潘建伟当之无愧。在他的带领下,中国成为远距离量子通信技术的领导者。”

尽管“量子之父”的提法引发了一些语义上的质疑,《自然》援引美国马里兰大学的量子物理学家克利斯朵夫•门罗(Christopher Monroe)的评价称:潘建伟的过人之处在于能找到关键问题且敢于冒险,“拥有他是中国之大幸(China is very lucky to have him)。”

  • “中国量子之父”潘建伟入选全球科技界最重磅榜单之一——2017《自然》十大年度科学人物(图源:新华社)
  • 北京时间2017年9月29日,世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通(图源:新华社)

2015年,通过实现对光子偏振和轨道角动量两个自由度的量子调控技术和单光子非破坏测量,潘建伟、陆朝阳研究组首次实现单光子多自由度的量子隐形传态,相关成果被英国物理学会新闻网站“物理世界”选为“国际物理学年度突破”。

自2016年8月16日在中国酒泉卫星发射中心发射升空以来,潘建伟领衔的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”就一直备受国际关注,《科学美国人》将其评选为2016年度改变世界的十大创新技术。

2017年8月,“墨子号”完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大既定科学实验目标,在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发,也为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究,奠定了坚实的科学与技术基础。

2017年9月29日,世界首条千公里级量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。利用“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,北京和维也纳之间成功实现了人类历史上第一次洲际量子保密通信。

世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生(图源:VCG)

作为国际前沿的量子信息科研团队之一,在量子计算领域潘建伟团队也取得了多项重要进展,比如研制出了世界首台多光子可编程量子计算原型机,它比人类历史上首台电子管计算机和首台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的技术制高点,一直是全球量子领域角逐的焦点。量子计算的速度随着实验可操纵的纠缠比特数目的增加而指数级提升,但若要实现多个量子比特的纠缠,需要进行高精度、高效率的量子态制备和独立量子比特之间相互作用的精确调控。业界人士表示,量子比特数目的增加会使得操纵带来的噪声、串扰和错误也随之增加,这对量子体系的设计、加工和调控要求极高,量子纠缠和量子计算的发展亦严重受限于此。

多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备是发展可扩展量子信息技术,特别是量子计算的最核心指标。潘建伟团队已在光子体系上在世界范围内相继率先实现了五光量子、六光量子、八光量子和十光量子纠缠。

此次实现18个光量子比特的纠缠,可谓是中国在量子计算领域再次获得了里程碑式的突破。据悉,该成果可进一步应用于大尺度、高效率的量子信息技术,同时也佐证了中国将继续在全球引领多体纠缠的研究。

正是基于量子信息技术的潜在价值,欧美各国都在积极整合各方研究力量和资源,开展国家级的协同攻关。2016年欧盟宣布启动量子技术旗舰项目;美国国会于6月27日正式通过“国家量子行动计划”。另外,谷歌、微软、IBM等国际高科技巨头亦纷纷强势介入量子计算研究,且频频宣告进步。

人类科技的进步正是来源于各方的竞争。当下,潘建伟的团队正筹划发射第二颗卫星,并将在中国的天宫二号空间站上运行另一个量子实验。在接下来的五年里,潘健伟表示:“许多激动人心的结果将会出现。这真的是一个新时代。”

回看人类历史,第一次技术革命成就了英国,第二次、第三次技术革命造就了美国,而当下正在全球发生的日新月异的第四次技术革命,给了人类更多的期待。

撰写:刘言

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